塑料的潤滑平衡——潤滑劑的調配
大量的研究與實踐表明：PVC-U的塑化程度在65%左右時，其各項力學性能最好，這就要求在加工PVC-U時必須掌握適當的塑化程度，內潤滑劑在降低塑化扭矩的同時能促進塑化(縮短塑化時間)，而外潤滑劑在改善PVC-U的流動性的同時又能延遲塑化。
因而在設計PVC-U配方時，調整內、外潤滑劑的比例及加入總量，就能調控PVC-U的塑化速率(塑化時間)，而調控塑化速率則是內、外潤滑作用平衡的重要研究內容。
但是，由于塑料潤滑作用的多變性及潤滑平衡的多樣性，至今在國內尚未見到關于潤滑平衡方面的專論文章，筆者就塑料潤滑作用平衡(以下簡稱潤滑平衡)提出一些觀點，供廣大讀者參考。
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潤滑平衡的設計
潤滑平衡的設計是PVC-U配方設計的最鄉鍵的一環。
1 潤滑劑及潤滑作用目前尚沒有真正意義的理論及規律
對一般PVC-U配方設計而言，筆者認為配方設計的難點及主要內容是內、外潤滑劑種類的選擇及它們的比例和加入總量的設計。潤滑劑加入總量應適宜，而內、外潤滑劑的比例更重要，盡管總量足夠，但如果比例失調，也不合連續地生產出合格產品。
然而對于PVC-U加工過程至關重要的潤滑體系，在目前還沒有可稱為理論的理論，甚至連可以有效地指導配方實驗的規律也沒有。唯一的所謂規律是借鑒普通化學中“相似相溶”規律，也就是潤滑劑的極性與pvc樹脂的極性越相似，其相容性越奸，因而其內潤滑作用也越好;反之外潤滑作用較強，但是這個規律對于配方設計的指導性亦很有限。
因為判斷潤滑劑的極性的根據是潤滑劑的化學結構，即潤滑劑分子中含有的羥基、酯基、羧基、酰胺基以及醚基、酮基等極性官能團的種類、數量及其與長鏈烷基的比例。由于潤滑劑化學結構復雜、多樣，以及相鄰官能團的相互影響，使得對潤滑劑的極性大小的判斷更為困難，這就造成了單憑潤滑劑的極性來推斷潤滑劑的潤滑作用與潤滑劑實際上所起的潤滑作用之間的差異性遠遠超出人們的想象。
2 潤滑作用的多變性
問題的復雜性還不僅如此，更為重要的是潤滑劑與樹脂的相容性(即潤滑作用)還受其他條件的影響，尤其是其他潤滑劑與增塑劑等助劑的影響更為顯著，這種改變甚至可使內潤滑劑變成外潤滑劑，也就是說，同一種潤滑劑的潤滑作用會隨著添加量的不同，隨著配方中其他助劑組成的不同，隨著加工條件的不同而改變。
3 內、外潤滑平衡的多樣性
事實上，不同類型的加工設備如雙螺桿及單螺桿擠出、注塑、壓延等設備，均要求各自不同的潤滑平衡。嚴格地講，同類設備、不同生產廠家的產品，甚至同一臺設備，舊的與新的設備，對潤滑平衡均有不同的要求。不同類型的產品，如管材、片材、膜以及異型材，要有各自不同的潤滑平衡。如斷面復雜的異型材、擠出片材、注塑制品、中空制品、吹塑膜及高透明制品均要求有較高的塑化程度，更好的熔體流動性，因而要求內、外潤滑劑，尤其是內潤滑劑的加入量要多一些，而管材則對熔體黏度及流動性要求相對不太高，塑化程度以60%～70%為宜，因而外潤滑劑相對可以比內潤滑劑的用稍多。但是注塑制品則要求盡可能少用非極性外潤滑劑，以便盡可能減少外潤滑劑對熔接痕強度的影響。
上述內容均說明了潤滑平衡的多樣性。這就造成潤滑作用理論的研究較為困難，在實際配方設計時，也極大地增加了潤滑劑配方設計的難度。
筆者認為，對于一般PVC-U而言，配方設計的關鍵是內、外潤滑劑種類、比例及加入總量的設計，就是潤滑平衡的設計。
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潤滑平衡的研究方法
對于潤滑平衡的設計來講，既不精楚內、外潤滑劑在配方中實際的潤滑作用強度，又不知其他潤滑劑及其他助劑對其潤滑作用影響的具體情況。最簡單的方法，是用只問最后結果，不管其作用機理如何的宏觀概括研究方法，即只考慮因素(內、外潤滑劑和其他助劑)對最終結果(潤滑平衡)的貢獻的研究法，也就是不管內、外潤滑劑及其他助劑之間如何相互作用及其影響程度的大小，只看它們對潤滑平衡最終結果的綜合影響的方法。
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潤滑平衡的定義及其定量表述
內、外潤滑劑品種適當，內、外潤滑劑比例與加入總量適當，達到適當的塑化速率及熔體粘度(扭矩流變曲線上適當的塑化時間及塑化扭矩)。也就是能保證特定的加工設備及工藝經濟地、連續地生產出合格塑料制品的潤滑體系，即為內、外潤滑平衡體系。
1 適當的塑化時間
潤滑平衡既不是個固定值，又因缺乏潤滑作用的基礎數據，所以造成定量表述潤滑平衡很困難。因此，只能用對比類推法對潤滑平衡進行研究。也就是首先研究已經確認是潤滑平衡的體系，把它在塑料加工設備上的塑化情況與它在扭矩流變曲線上表現出的塑化情況進行對比。結果發現：潤滑平衡體系在扭矩流變曲線上的塑化時間對應于擠出機2/3左右的位置，也就是對應擠出機塑化段將結束、均化段將開始的位置。如果不是潤滑平衡體系，其塑化時間對應于擠出機的位置將有所改變。塑化時間對應擠出機的位置小于2/3時期，則過度塑化，對于PVC-U而言有可能熱分解，物料發黃;塑化時間對應擠出機的位置大于2/3時，則塑化度不夠，制品較糙、發脆。
由上述分析可得出結論：可以用扭矩流變曲線上的塑化時間作為定量判斷潤滑體系是否處于平衡狀態的標準。
2 適當的塑化扭矩
對于PVC-U而言，塑化扭矩的大小比平衡扭矩更接近塑料加工即將結束時實際的樹脂熔體扭矩，也就是說，在塑化扭矩處的物料粘度比較接近實際塑料加工即將結束時的熔體粘度。所謂內、外潤滑劑比例及總量適當是指能滿足工藝要求的用量，使樹脂具有較合適的塑化速率、熔體粘度及適當粘附性，從而保證加工設備能經濟地、連續地生產合格或優質的產品。另外擠出機雖然也給出了扭矩值或主機電流值，但它們是表示固體樹脂由玻璃態逐漸轉變為高彈態、粘流態整個過程的平均扭矩值或平均消耗的能量，并不能正確地反映樹脂在塑化時的黏度或扭矩值。
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生產及實驗室中如何判斷內、外潤滑平衡
外潤滑劑用量不足則有黏附現象，塑化時間短，試樣表面不光滑;外潤滑劑過量則塑化時間明顯延長，力學性能下降，變脆，可能有析出現象，嚴重時手拭有油樣感覺。內潤滑劑用量不足則塑化扭矩較大、塑化時間較長;內潤滑劑過量則塑化時間較短、塑化扭矩較小，但熱穩定時間也變短，有熱分解現象，試樣內壁不光滑。
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內、外潤滑劑的比例及總量的確定
即潤滑平衡的設計
內、外潤滑劑的品種或牌號確定后，要確定內、外潤滑劑的使用比例及在配方中的加入總量。只有確定一個合適的內、外潤滑劑的比例及加入總量，才能合理地兼顧pvc樹脂熔體的流動性、防粘性及塑化速率，才能滿足特定的加工設備、工藝及制品的特殊要求，也只有這樣的潤滑體系才能保證經濟地、連續地生產合格或優質產品，即達到潤滑平衡。
由于影響潤滑作用的因素眾多，又因潤滑平衡的多樣性，所以配方工作者根據特定的加工設備及產品特性設計一個潤滑平衡體系是比較困難的。因為無法準確確定塑化時間、塑化扭矩等重要數值，因而缺乏控制塑化速率、熔體流動性(即熔體黏度)的依據。如果有一個參照物，即標準樣或近似的標準樣，這個問題就迎韌而解了。
所以，確定潤滑平衡的實驗程序首先是標準樣的測試。標準樣最好選擇加工性能好、品質優良、同一類加工設備生產的同一類產品的高速攪拌混合料。
(1)標準樣的測試：把一定質量的試樣加到扭矩流變儀中，在一定轉速及溫度下測小其塑化時間、塑化扭矩及熱分解時間等參數。
(2)改變內潤滑劑的品種和數量，改變塑化扭矩值使其接近標準樣的數值。也就是改變PVC熔體流動性，即熔體粘度。
(3)在基本調整好樹脂熔體粘度或塑化扭矩的前提下，通過改變外潤滑劑的品種與數量，調整塑化時間，使之比標準樣略有延長，大概延長3%左右。外潤滑劑在一定范圍內也能影響塑化扭矩，隨著外潤滑劑用量的增加，塑化扭矩值也有所降低。
要特別注意的時的塑化扭矩值絕對不能高于標準樣的數值，必須比標準樣的塑化扭矩值略低，約降低1%～2%為宜。如果塑化時間已經比標準樣延長了3%左右，而塑化扭矩仍然達不到要求時，可以按比例增加內、外潤滑劑的用量，直到塑化時間及塑化扭矩均達到要求為止。因為從扭矩流變儀實驗得到數據的微小差異均可對實際工業生產造成巨大的影響。
(4)防粘附性：如果塑化扭矩及塑化時間基本滿意以后，防粘附性仍然不足，可以適當按比例增加內、外潤滑劑的用量，如果感覺物料已經不粘流變儀混合頭的轉子，則有可能是潤滑劑總量過量，達到了高水平的潤滑平衡。可按比例適當減少內、外潤滑劑的用量，直至有些輕微發粘時為止。
在此基礎上以微調方式適當地補加內、外潤滑劑，直至不發粘，再稍多加一點，這是較低水平的潤滑平衡，也是較接近實用水平的潤滑平衡。
高水平的潤滑平衡雖然可以稍提高樹脂混合料的熱穩定性，延長熱分解時間，略微降低熱穩定劑的用量，減少配方成本，但外潤滑劑的析出現象有可能較嚴重，對連續生產不利，停機次數有可能增加，生產率有可能下降，并帶來諸多不便，也可能影響產品質量及二次加工性能。因為內、外潤滑劑畢竟是小分子的加工助劑，能滿足加工及制品質量要求即可，入量過多則勢必影響制品的力學性能。
(5)放大實驗：把實驗(4)初步確定的配方在生產中進行放大實驗，考察并發現存在的問題，如粘附嚴重或扭矩過大，主機電流過大，或塑化率過大、過小等。可以有針對性地調整潤滑體系。如此反復幾次即可設計出比較滿意的、并能滿足特定設備及工藝要求的潤滑平衡體系。
(6)如果沒有標準配方，可向有技術力量的國外大型熱穩定劑或潤滑劑的生產廠商索要參考配方，按參考配方試生產一次，找出加工過程及制品質量存在的問題。加工性問題包括熔體黏度是否過高、主機扭矩值或主機電流是否過大、操作是否平穩、連續開車時間是否過短、粘附性是否嚴重等問題。制品質量問題包括內在質量是否符合標準、二次加工性是否滿意。
外觀質量問題包括：顏色是否泛黃、或有黑點、黑灰色或黃色條紋，表面是否光亮、內壁是否凹凸不平等。同時用同一配方在扭矩流變化儀上進行實驗，把流變實驗結果與大生產中出現的問題相互對照，找出內潤滑或外潤滑不足，或是內、外潤滑均不足的原因。然后按上述實驗程序進行改進實驗，或用價格低的產品對原參考配方中的進口潤滑劑進行取代實驗。
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增加潤滑體系的操作彈性
好的潤滑體系不僅具有潤滑作用強、潤滑劑用量少及前述的一些優良性質，還應具有較寬的操作彈性，如配料比的微小差異、工藝條件波動(如溫度、主機轉速的變化等)時，塑料加工從業者希望潤滑體系仍然處于平衡狀態。這就要求內、外潤滑劑不僅要強強搭配，還應具有較大的操作彈性。
這可以從兩方面加以解決：
不用或少用易揮發的潤滑劑(像石蠟、Hst及硬脂酸丁酯等較易揮發)，在整個加工的中、后期，因溫度等工藝參數的波動而影響了它們揮發的程度，從而造成平衡系統失衡。
用一些既有極性基團又有超長烷基的化合物，如褐煉酸的衍生物，脂肪酸、脂肪醇的低分子聚酯類OPE等內、外潤滑劑，內、外潤滑劑均能在不同程度上自動調節潤滑平衡。一旦因某種原因顯示內潤滑作用不足，外潤滑作用過剩;或相反現象，配方中如果有一定數量的上述內、外潤滑劑，可在一定程度上自動調節，使過剩的外潤滑作用轉變為內潤滑作用，或內潤滑作用轉變為外潤滑作用。這種現象的產生是因為工藝條件的變化改變了樹脂熔體與潤滑劑的表觀溶解度所造成的。
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